產(chǎn)祝龍，張 慧，劉夢垚

（華中農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝林學(xué)學(xué)院 / 教育部園藝植物生物學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 / 農(nóng)業(yè)部華中都市農(nóng)業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430070）

植物在生長發(fā)育過程中，面臨著多種非生物逆境，包括溫度、干旱、澇害、鹽漬、礦物質(zhì)缺乏、離子毒害等，造成植物細(xì)胞膜系統(tǒng)損壞、細(xì)胞脫水、光合速率、呼吸速率下降，從而影響植物生長。在逆境條件下，植物的應(yīng)激反應(yīng)引起內(nèi)源多種激素及代謝物合成、分解及信號傳導(dǎo)途徑的變化，激發(fā)植物下游的防御反應(yīng)，導(dǎo)致抗逆性的產(chǎn)生。近年來的研究表明[1-3]，植物激素、小分子物質(zhì)、滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)以及氣體分子在植物逆境應(yīng)答中起到重要的調(diào)控作用。草坪草和牧草在庭院綠化、固土護(hù)坡、生態(tài)治理、環(huán)境保護(hù)、畜牧業(yè)發(fā)展及保持人類健康中起到了重要的作用。本文對植物生長調(diào)節(jié)物質(zhì)提高草坪草和牧草抗逆性的機(jī)理進(jìn)行綜述，以期為草坪保護(hù)劑開發(fā)和抗逆育種提供理論基礎(chǔ)。

1 植物激素和生長調(diào)節(jié)物質(zhì)

1.1 脫落酸

1.1.1 脫落酸對植物抗性的影響

脫落酸(abscisic acid, ABA)是一種倍半萜類小分子物質(zhì)，它在植物根部和頂芽中產(chǎn)生，ABA 的合成和分解受到多種脅迫的影響[2-3]。研究表明，ABA 和ABA 受體PYR/PYLs 等結(jié)合以后，抑制了ABA 信號傳導(dǎo)途徑負(fù)調(diào)節(jié)因子PP2C 磷酸酶的活性，激活了激酶SnRK2。SnRK2 自身磷酸化，并磷酸化ABF 類轉(zhuǎn)錄因子，啟動下游的ABA 應(yīng)答通路基因的表達(dá)，從而提高了植物的抗逆性[1-3]。

ABA 不僅在提高草坪草抗旱性有明顯效果，也能提高草坪草的對低溫、高溫、鹽等脅迫的抗性。研究發(fā)現(xiàn)，干旱處理增加了草地早熟禾(Poa pratensis)、匍匐剪股穎(Agrostis stolonifera)、絨毛剪股穎(A. canina)、細(xì)弱剪股穎(A. capillaris)、高羊茅(Festuca arundinacea)等多種草坪草內(nèi)源ABA的含量[4-6]。外源ABA 提高了草地早熟禾和匍匐剪股穎的抗旱和抗鹽性，但是草地早熟禾上的效果更明顯[7]。ABA 處理以后，草地早熟禾和匍匐剪股穎在干旱條件下APX、POD、SOD 的活性增強(qiáng)，MDA 的積累減少，蒸騰速率降低，葉片的相對含水量和水勢增加，同時誘導(dǎo)了三羧酸循環(huán)相關(guān)有機(jī)酸的積累。ABA 處理的草坪草在干旱處理28 d后仍然維持在較好的草坪品質(zhì)[7-8]。外源ABA 處理高羊茅通過減少氣孔導(dǎo)度，降低蒸騰速率、凈光合效率和MDA，提高抗氧化酶活性和逆境蛋白積累來增強(qiáng)抗旱性[9-10]。ABA 處理還可以通過增加脯氨酸、可溶性糖的含量，以及抗氧化酶的活性和相關(guān)基因的表達(dá)水平來提高狗牙根和多年生黑麥草(Lolium perenne)的抗旱性[11-12]。

狗牙根(Cynodon dactylon)和垂穗披堿草(Elymus nutans)在低溫馴化階段，體內(nèi)ABA 含量增加，但是在脫馴化過程中，ABA 含量降低。外源ABA 處理降低了垂穗披堿草活性氧的積累，而ABA 抑制劑fluridone 處理促進(jìn)了膜脂過氧化[13-14]。外源ABA類似物AM1 處理降低了狗牙根細(xì)胞膜的損傷程度，減少了活性氧的含量，同時誘導(dǎo)了抗氧化酶基因和DREB1 等基因的表達(dá)，增強(qiáng)狗牙根幼苗對凍害的抗性[15]。在低溫條件下，ABA 處理的柱花草(Stylosanthes guianensis) APX 和CAT 活性，以及還原型谷胱甘肽和抗壞血酸和含量明顯增加，抗寒性增強(qiáng)[16]。鹽脅迫條件下，抗性匍匐翦股穎品種葉片中積累更多的ABA、JA、SA、ZR，而根當(dāng)中積累的IAA 和SA 含量較高[17]。但是高溫條件下匍匐翦股穎對于ABA 和乙烯含量的影響不大，反而在恢復(fù)階段ABA 和乙烯含量增加[18-19]。外源ABA處理提高了蒺藜苜蓿(Medicago truncatula)中內(nèi)源NO 和脯氨酸的含量，增強(qiáng)了蒺藜苜蓿對滲透脅迫的抗性[20]。紫花苜蓿在ABA 處理以后，固氮能力增強(qiáng)，多胺含量增加，對鹽脅迫的抗性增強(qiáng)[21]。

1.1.2 脫落酸途徑相關(guān)基因與抗逆性的關(guān)系

研究發(fā)現(xiàn)，高羊茅ABA 受體PYR1 可以與擬南芥PP2C 蛋白相互作用，激活A(yù)BA 信號通路，提高擬南芥對干旱脅迫的抗性[22]。匍匐剪股穎AsEXP1基因功能研究發(fā)現(xiàn)，該基因受到ABA 和SA 的共同調(diào)控[23]，而在匍匐剪股穎中過表達(dá)擬南芥DREB1A基因，可以提高匍匐剪股穎ABA 和IAA 的含量和對滲透脅迫的抗性[24]。過表達(dá)匍匐剪股穎AsHSP17也誘導(dǎo)了ABA 合成、分解以及信號傳導(dǎo)相關(guān)基因的表達(dá)[25]。玉米黃素環(huán)氧化酶(ZEP)是ABA 前體合成中的關(guān)鍵酶。紫花苜蓿MsZEP 在根中的表達(dá)受到ABA 的抑制。在煙草中過表達(dá)MsZEP，提高了干旱和鹽脅迫條件下ABA 的含量，增強(qiáng)了植物的抗旱性[26]。

1.2 褪黑素

1.2.1 褪黑素對植物抗性的影響

褪黑素(melatonin, MT)是脊椎動物體內(nèi)像松果般大小的“松果腺”器官分泌的一種吲哚胺類激素，是迄今發(fā)現(xiàn)的最強(qiáng)的內(nèi)源性自由基清除劑。1995 年以來，研究發(fā)現(xiàn)植物中也有褪黑素存在，在植物抗逆性、開花和晝夜節(jié)律變化方面起到重要的調(diào)控作用[27-28]。

匍匐剪股穎在褪黑素處理以后，葉綠素含量和葉片水分含量增加，活性氧的產(chǎn)生減少，JUB1和DREB2A等基因表達(dá)量上調(diào)，延緩了干旱脅迫導(dǎo)致的衰老[29]。在高溫條件下，外源褪黑素處理增加了多年生黑麥草內(nèi)源褪黑素和細(xì)胞分裂素的含量，但是降低了內(nèi)源ABA 的含量[30]。外源褪黑素延緩了黑暗誘導(dǎo)的多年生黑麥草的衰老[31]。在狗牙根中，外源褪黑素處理通過調(diào)控基因表達(dá)、蛋白質(zhì)含量以及代謝物的產(chǎn)生，從而提高干旱、鹽以及低溫脅迫的抗性[32]。干旱、鹽、低溫和氧化脅迫也能提高狗牙根體內(nèi)褪黑素的含量。外源褪黑素處理的狗牙根，體內(nèi)抗氧化酶活性增強(qiáng)，活性氧的含量降低，膜脂過氧化程度減輕，細(xì)胞膜的損傷程度減小，光合效率增強(qiáng)[33-34]。高羊茅的抗熱性在褪黑素處理以后得以增強(qiáng)。褪黑素處理誘導(dǎo)了高羊茅體內(nèi)FaHSFA3、FaAWPM和FaCYTC2基因的表達(dá)，但是抑制了FaF-box、FaHSFA6B和FaCYP710A基因的表達(dá)[35]。褪黑素影響了紫花苜蓿脯氨酸代謝和一氧化氮(NO)途徑并增強(qiáng)了抗旱性[36]，同時通過增加H2O2的含量而刺激側(cè)根的發(fā)育[37]。

1.2.2 褪黑素途徑相關(guān)基因與抗逆性的關(guān)系

在擬南芥中過表達(dá)紫花苜蓿褪黑素合成SNAT基因，H2O2的含量增加，側(cè)根的數(shù)目增多，側(cè)根發(fā)育相關(guān)的基因受到褪黑素處理的誘導(dǎo)表達(dá)[38]。在擬南芥中過表達(dá)紫花苜蓿褪黑素合成相關(guān)的SNAT基因，提高了內(nèi)源褪黑素的含量，增強(qiáng)了苜蓿中與鎘抗性相關(guān)的ABA transporter 以及擬南芥中PDR8基因的表達(dá)，減少了鎘的吸收[38]。

1.3 多胺

1.3.1 多胺對植物抗性的影響

多胺(polyamines, PAs)是一類具有強(qiáng)烈生物活性的低分子量脂肪族含氮堿。高等植物中主要有5 種多胺，包括腐胺(putrescine)、尸胺(cadaverine)、亞精胺(spermidine)、 精胺(spermine)和鯡精胺(agmatine)。植物體中多胺合成途徑主要有兩條。一條是以鳥氨酸為前體，在鳥氨酸脫羧酶(ODC)作用下直接脫羧形成腐胺。另一條是從頭合成途徑，以精氨酸為前體，在一系列酶的作用下生成腐胺。腐胺形成后，通過連續(xù)加入氨丙基殘基而逐步形成精胺和亞精胺[39]。

研究表明，多胺預(yù)處理提高了匍匐剪股穎干旱脅迫下的草坪品質(zhì)和抗旱性[40]。多胺降低了干旱條件下匍匐剪股穎IAA 和GA3的含量[41]，調(diào)節(jié)與能量代謝、轉(zhuǎn)運(yùn)、抗氧化、脅迫等途徑相關(guān)基因的表達(dá)[42]。狗牙根在3 種多胺處理以后，對于干旱和鹽脅迫的抗性都明顯提高。與電子傳遞和能量代謝途徑相關(guān)的蛋白受多胺處理的誘導(dǎo)[43]。亞精胺處理通過改善光合系統(tǒng)和活性氧代謝提高了高羊茅對高溫的耐受性[44]。外源亞精胺處理提高了內(nèi)源多胺和脯氨酸的含量并增強(qiáng)了草地早熟禾和結(jié)縷草對鹽脅迫的耐受性[45-47]。通過蛋白質(zhì)組學(xué)分析，在白三葉(Trifolium repens)中鑒定了273 個受亞精胺處理發(fā)生含量變化的蛋白質(zhì)[48]。

1.3.2 多胺途徑相關(guān)基因與抗逆性的關(guān)系

過表達(dá)黃花苜蓿ERF 轉(zhuǎn)錄因子提高了與多胺合成以及代謝基因的表達(dá)，提高了脯氨酸含量，增強(qiáng)了抗寒性[49]。S-腺苷基甲硫氨酸合成酶(SAMS)是多胺前體合成的關(guān)鍵酶。紫花苜蓿SAMS1 基因受到低溫、ABA、H2O2和NO 的誘導(dǎo)表達(dá)。過表達(dá)SAMS1 基因促進(jìn)了多胺代謝途徑相關(guān)基因的表達(dá)，增強(qiáng)了轉(zhuǎn)基因紫花苜蓿的抗寒性[50]。在假儉草中過表達(dá)狗牙根多胺合成CdSAMDC 基因，提高了精胺、亞精胺以及NO 的含量，增強(qiáng)了低溫抗性[51]。

1.4 細(xì)胞分裂素

1.4.1 細(xì)胞分裂素對植物抗性的影響

細(xì)胞分裂素(cytokinin, CK)是一種N6-異戊烯腺嘌呤。天然的細(xì)胞分裂素有玉米素(ZT)、玉米素核苷(ZR)、二氫玉米素(DHZ)、異戊烯基腺苷(iPA)等。而常見人工合成的細(xì)胞分裂素主要有激動素(KT)、6-芐基腺嘌呤(6-BA)和四氫吡喃芐基腺嘌呤(PBA)。高等植物的細(xì)胞分裂素主要是通過從頭合成途徑生成[52]。

研究發(fā)現(xiàn)，海藻提取物和腐殖酸中含有豐富的細(xì)胞分裂素成分，可以有效提高匍匐剪股穎對干旱和高溫脅迫的抗性，改善草坪品質(zhì)[53]。反式玉米素核苷(t-ZR)處理提高了匍匐剪股穎對干旱和高溫的耐受性[54-55]。狗牙根和結(jié)縷草在低溫馴化階段，體內(nèi)t-ZR 含量降低，但是在脫馴化過程中，t-ZR含量增加[14,56]。匍匐剪股穎在細(xì)胞分裂素處理以后，高溫下氨基酸的積累明顯高于沒有處理的對照[57]。細(xì)胞分裂素處理延緩了黑暗誘導(dǎo)一年生黑麥草(L. multiflorum)葉片的衰老[58]。6-BA 處理多年生黑麥草，抑制了Na+的積累并保持較高的K+/Na+比，提高了的抗鹽性[59]。

1.4.2 細(xì)胞分裂素途徑相關(guān)基因與抗逆性的關(guān)系

腺嘌呤異戊烯基轉(zhuǎn)移酶(ipt)是細(xì)胞分裂素合成的關(guān)鍵基因。在匍匐剪股穎中過表達(dá)SAG12 和HSP18.2 啟動子驅(qū)動的ipt 基因，可以提高內(nèi)源細(xì)胞分裂素的含量，促進(jìn)了干旱條件下根系的發(fā)育，有效增強(qiáng)匍匐剪股穎對干旱脅迫和滲透脅迫的抗性[60]。匍匐剪股穎中SAG12-ipt轉(zhuǎn)基因調(diào)控了107 個轉(zhuǎn)錄因子的表達(dá)，激活JA 和IAA 途徑相關(guān)基因、但抑制了ABA 途徑基因的表達(dá)[61-62]。轉(zhuǎn)SAG12-ipt 基因的匍匐剪股穎在黑暗和高溫條件下，內(nèi)源細(xì)胞分裂素含量明顯高于野生型，葉綠素的降解顯著低于野生型，有效延緩了黑暗或高溫誘導(dǎo)的衰老[63]。

1.5 水楊酸

1.5.1 水楊酸對植物抗性的影響

水楊酸 (salicylic acid, SA)是一種天然存在的酚類化合物。外源SA 處理顯著提高保護(hù)酶的活性，降低MDA 和脯氨酸的積累，可以有效地緩解干旱脅迫對結(jié)縷草和匍匐剪股穎的傷害[64-65]。SA 處理還提高了溝葉結(jié)縷草(Z. matrella)和紫花苜蓿的抗寒性[66-67]以及匍匐剪股穎和草地早熟禾的抗熱能力[68-69]。董慧等[70]研究表明，水楊酸能夠提高多年生黑麥草的抗氧化酶活性，減輕鹽脅迫造成的氧化傷害。外源SA 處理紫花苜蓿根瘤，會抑制鹽脅迫誘導(dǎo)的多胺合成和活性氧代謝，增加ACC 的含量，提高紫花苜蓿在鹽脅迫下生長速率[71]。

1.6 油菜素內(nèi)酯

1.6.1 油菜素內(nèi)酯對植物抗性的影響

油菜素內(nèi)酯(brassinosteroids, BRs)是一類新的植物類固醇激素。2,4-表油菜素內(nèi)酯(EBL) 和28-高油菜素內(nèi)酯(HBL)是兩種最常用的和商業(yè)化的油菜素內(nèi)酯。

研究表明，BR 處理增強(qiáng)高羊茅水分利用效率，提高葉綠素的含量和抗氧化酶的活性，抗旱性增強(qiáng)[9]。高羊茅中高溫誘導(dǎo)的基因如FaCRK8、FaCML38、 FaHSFB2B以 及FaHSFA3等 都 受 到EBL 處理的誘導(dǎo)表達(dá)[35]。在鹽脅迫下，EBL 處理促進(jìn)了多年生黑麥草和高羊茅在鹽脅迫下的生長勢，提高了多年生黑麥草中脯氨酸、可溶性糖、可溶性蛋白等的含量，增強(qiáng)了抗鹽性[72-73]?？芙瓭蛶熒卸Y[74]發(fā)現(xiàn)EBR 顯著提高鹽脅迫下紫花苜蓿種子萌發(fā)和幼苗的生長發(fā)育。

1.6.2 油菜素內(nèi)酯途徑相關(guān)基因與抗逆性的關(guān)系

在匍匐剪股穎中過表達(dá)擬南芥BR 降解有關(guān)的AtBAT1 基因，轉(zhuǎn)基因植株表現(xiàn)出BR 缺失的表型，植株變矮，節(jié)間變短，葉片夾角變小。轉(zhuǎn)基因匍匐剪股穎對干旱脅迫的耐受性增加，干旱誘導(dǎo)的衰老減緩[75]。

1.7 乙烯

1.7.1 乙烯對植物抗性的影響

研究表明，高溫條件下匍匐剪股穎乙烯含量沒有明顯變化，但是在恢復(fù)階段乙烯(ethylene)的含量明顯增加[19]。AVG 處理抑制了高溫誘導(dǎo)的匍匐剪股穎的衰老[55]。在狗牙根中，乙烯前體ACC 處理以后，常溫下調(diào)控了37 個蛋白、低溫下調(diào)控了60 個蛋白質(zhì)含量的變化，增強(qiáng)了抗寒性[76]。外源乙烯處理降低了蒺藜苜蓿對低溫的抗性，而乙烯合成抑制劑處理提高了蒺藜苜蓿的抗寒性[77]。

1.7.2 乙烯途徑相關(guān)基因與抗逆性的關(guān)系

乙烯不敏感突變體skl 對低溫的耐受性增強(qiáng)。低溫馴化可以提高野生型但不能增強(qiáng)skl 突變體的抗寒性。乙烯應(yīng)答響應(yīng)基因如EIN3 和ERF 基因的表達(dá)量在skl 突變體中顯著下調(diào)[77]。紫花苜蓿乙烯應(yīng)答因子MsERF8 受到鹽、PEG 和多種激素的誘導(dǎo)表達(dá)。MsERF8 過表達(dá)使煙草積累了大量的脯氨酸，丙二醛含量降低，增強(qiáng)了對鹽脅迫的耐受性[78]。缺磷促進(jìn)了黃花苜蓿乙烯的產(chǎn)生，但是這種誘導(dǎo)作用被乙烯合成抑制劑AVG 和CoCl2所抑制[79]。

1.8 生長素

1.8.1 生長素對植物抗性的影響

生長素(indole-3-acetic acid, IAA)是一類含有一個不飽和芳香族環(huán)和一個乙酸側(cè)鏈的內(nèi)源激素，包括吲哚乙酸(IAA)、4-氯-IAA、5-羥-IAA 等。人工合成的生長素類似物，如2, 4-D、萘乙酸(NAA)、吲哚丁酸(IBA)等，具有與生長素相似的生理效應(yīng)。

適宜濃度的IAA 能夠有效提高白三葉幼苗對干旱環(huán)境的適應(yīng)能力[80]。干旱脅迫降低了匍匐剪股穎內(nèi)源IAA 和iPA 的含量。外源IBA 處理增強(qiáng)了干旱條件下植物的光合作用，提高了葉片IAA、iPA 以及ABA 的含量，增強(qiáng)了抗旱性[81]。接種產(chǎn)IAA 的根瘤菌以后，蒺藜苜蓿在鹽脅迫條件下衰老延遲，乙烯信號相關(guān)基因的表達(dá)受到抑制，固氮能力增強(qiáng)，對鹽脅迫的抗性提高[82]。鋁脅迫抑制了紫花苜蓿頂芽和根尖IAA 的濃度，減少了莖尖IAA 向根尖的運(yùn)輸，與生長素運(yùn)輸有關(guān)的AUX1 和PIN2 基因的表達(dá)上調(diào)[83]。

1.8.2 生長素途徑相關(guān)基因與抗逆性的關(guān)系

目前在草坪草和牧草生長素途徑相關(guān)基因功能的研究較少。通過轉(zhuǎn)錄組分析，發(fā)現(xiàn)蒺藜苜蓿在鹽脅迫處理后，與生長素運(yùn)輸有關(guān)PIN9 和PIN10基因大量表達(dá)[84]。通過生物信息學(xué)分析，在蒺藜苜蓿中鑒定一些與生長素代謝及信號傳導(dǎo)相關(guān)的基因，包括Aux/IAA 基因[85]、生長素轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白基因[86]、生長素應(yīng)答MtARF 基因[87]等。

1.9 赤霉素

1.9.1 赤霉素對植物抗性的影響

赤霉素 (gibberellin, GA)是植物體內(nèi)的一種四環(huán)雙萜類化合物。外施赤霉素后，紫花苜蓿幼苗葉綠素含量都有所提升，在一定程度上提升了其光合效率，增強(qiáng)了抗旱性[88]。外源赤霉素溶液處理也能夠在不同程度上提高堿茅種子的耐鹽能力[89]。GA3處理也提高了紫花苜蓿的萌發(fā)率和鹽脅迫下的干重[90]。

1.9.2 赤霉素途徑相關(guān)基因與抗逆性的關(guān)系

結(jié)縷草GA 合成關(guān)鍵酶ZjGA20 氧化酶基因在葉片和莖中表達(dá)量較高。低溫、高溫和滲透脅迫抑制了ZjGA20 的表達(dá)。外源GA3處理增強(qiáng)了POD的活性，減少了丙二醛的產(chǎn)生，提高了結(jié)縷草的抗寒性[91]。在百喜草(Paspalum notatum)中過表達(dá)擬南芥GA 降解有關(guān)的AtGA2ox1基因，活性GA1的含量降低，莖桿縮短，開花延遲，但是分枝增多，修剪后恢復(fù)性優(yōu)于對照[92]。

1.10 獨(dú)腳金內(nèi)酯

1.1 0.1 獨(dú)腳金內(nèi)酯對植物抗性的影響

獨(dú)腳金內(nèi)酯(strigolactones, SLs)是一種新型的植物激素，是從植物根際分泌物中被分離出來作為刺激根寄生植物獨(dú)腳金種子發(fā)芽的物質(zhì)。外源獨(dú)腳金內(nèi)酯處理抑制了百脈根(Lotus corniculatus)中干旱誘導(dǎo)的ABA 的產(chǎn)生，下調(diào)了ABA 合成相關(guān)基因NCED2 的表達(dá)[93]。獨(dú)腳金內(nèi)酯類似物GR24處理促進(jìn)了對照和高溫條件下高羊茅根系細(xì)胞的數(shù)量，上調(diào)了細(xì)胞循環(huán)相關(guān)的基因，下調(diào)了生長素轉(zhuǎn)運(yùn)基因，促進(jìn)了根系的生長[94]。

1.1 0.2 獨(dú)腳金內(nèi)酯途徑相關(guān)基因與抗逆性的關(guān)系

百脈根中沉默獨(dú)腳金內(nèi)酯合成相關(guān)的CCD7 基因，引起氣孔導(dǎo)度的增加，ABA 處理誘導(dǎo)的氣孔關(guān)閉減緩，抗旱性減弱[93]。干旱條件下高羊茅內(nèi)源獨(dú)腳金內(nèi)酯含量增加，獨(dú)腳金內(nèi)酯合成相關(guān)的FaD17 和信號傳導(dǎo)相關(guān)的FaD14 以及FaMAX1 基因的表達(dá)上調(diào)。獨(dú)腳金內(nèi)酯含量的增加可能是干旱脅迫對側(cè)芽生長抑制的主要因素[95]。

1.11 茉莉酸酯對植物抗性的影響

茉莉酸酯(jasmonate acids, JAs)包括茉莉酸(JA)和茉莉酸甲酯(MeJAs)，是存在于所有高等植物體內(nèi)的內(nèi)源調(diào)節(jié)物質(zhì)。外施JAs 都能夠有效提高植物的抗逆性，但目前在草坪草、牧草上的相關(guān)研究甚少。蒺藜苜蓿懸浮細(xì)胞在MeJA 處理以后，與三萜合成有關(guān)的香樹脂醇合酶基因上調(diào)了50 倍以上，同時在鑒定到的30 多個三萜皂甙類物質(zhì)中的大部分在MeJA處理后含量增加[96]。

2 滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)

2.1 可溶性糖

在越冬階段，鹽草(Distichlis spicata)的果糖、葡萄糖、棉子糖和水蘇糖含量有著明顯的季節(jié)性變化趨勢，在隆冬季節(jié)含量最高[97]。低溫誘導(dǎo)了紫花苜蓿蔗糖、棉子糖和水蘇糖的積累，降低其了果糖、葡萄糖和淀粉的含量[98]。草地早熟禾和結(jié)縷草的抗寒性分別與果聚糖和蔗糖，以及總還原糖和果糖含量相關(guān)[99-100]。李麗群等[101]指出外施蔗糖處理可以明顯改善高羊茅植株的生長，提高其耐陰性。連俊方等[102]研究表明外源海藻糖可緩解鹽脅迫對多年生黑麥草生長發(fā)育的抑制作用。在紫花苜蓿中過表達(dá)海藻糖合成相關(guān)的TPS1 和TPS2基因，增加了內(nèi)源海藻糖的含量，增強(qiáng)了紫花苜蓿對干旱、低溫、鹽和高溫脅迫的耐受性[103]。殼聚糖能夠提高滲透脅迫下沿階草和草地早熟禾脯氨酸含量，降低滲透勢，增強(qiáng)抗旱和抗鹽能力[104-105]。

2.2 甜菜堿

甜菜堿(glycine betaine, GB)是一種水溶性生物堿，廣泛存在于植物中。研究表明，外源甜菜堿處理能夠增加內(nèi)源性甜菜堿的含量，提高抗氧化酶的活性，增強(qiáng)匍匐剪股穎和高羊茅的抗旱性[106-107]。根施適宜濃度的甜菜堿可以有效減輕鹽脅迫對黑麥草幼苗的傷害[108]。外源甜菜堿能夠有效緩解低溫脅迫下結(jié)縷草的草坪質(zhì)量，增強(qiáng)結(jié)縷草對低溫脅迫的抵抗性[109]。甜菜堿處理可同時提高草地早熟禾和匍匐剪股穎的抗旱和抗鹽性[7]。

2.3 脯氨酸

脯氨酸(proline)是一種兼容性小分子，在高等植物中廣泛存在，有助于穩(wěn)定細(xì)胞結(jié)構(gòu)，清除自由基以及在脅迫條件下調(diào)節(jié)細(xì)胞氧化還原狀態(tài)。結(jié)縷草內(nèi)源脯氨酸的含量與抗凍性正相關(guān)[100]。滲透脅迫導(dǎo)致脯氨酸在蒺藜苜蓿中的積累。MtP5CS2在對照條件下表達(dá)量極低，但是鹽脅迫處理后在根中的表達(dá)量急劇增加[110]。在蒺藜苜蓿中過表達(dá)烏頭葉豇豆(Vigna aconitifolia) P5CS 基因，增加了蒺藜苜蓿內(nèi)源脯氨酸的含量，增強(qiáng)了鹽脅迫條件下的固氮能力[111]。紫花苜蓿脯氨酸脫氫酶(MsDH)基因的表達(dá)受到鹽脅迫的顯著抑制，造成內(nèi)源脯氨酸的積累，增強(qiáng)了抗鹽性[112]。

2.4 無機(jī)離子類物質(zhì)

2.4.1 鈣

鈣(calcium, Ca2+)是植物必需的營養(yǎng)元素，同時是胞內(nèi)生理生化反應(yīng)的第二信使。研究表明，外源鈣提高了紫花苜蓿的抗旱性[113]。在鹽脅迫下，外源鈣處理減少了高羊茅對Na+的吸收，提高植物耐鹽性，同時促進(jìn)了高羊茅在鹽脅迫下的萌發(fā)率[114-115]。高溫條件下外源Ca2+處理提高了草地早熟禾和高羊茅抗氧化酶的活性，減少了丙二醛的產(chǎn)生，提高了抗熱性[116]。Ca2+信號也參與了ABA 途徑。研究發(fā)現(xiàn)Ca2+信號抑制劑LaCl3拮抗ABA 提高柱花草抗寒性的作用[117]。在干旱脅迫下，外源鈣離子處理提高了紫花苜蓿和結(jié)縷草葉片相對含水量、葉綠素含量、POD 活性，降低了細(xì)胞膜透性，提高保護(hù)酶的活性，進(jìn)而增強(qiáng)紫花苜蓿和結(jié)縷草的 抗旱性[113,118-119]。

2.4.2 硅

硅(silicon, Si)是一種重要的植物成分或代謝物，主要以氧化物和硅酸鹽的形式存在，對草坪草的生長有促進(jìn)作用[120]。董文科等[121]指出在干旱、高溫及雙重脅迫下，外源硅酸鹽能夠顯著緩解各種脅迫對黑麥草種子萌發(fā)的影響，清除氧自由基，減輕脅迫的傷害。硅還提高了海濱雀稗體內(nèi)脯氨酸和糖的含量、增強(qiáng)了抗氧化酶活性，降低了丙二醛的含量，增強(qiáng)抗寒性[122]。添加外源硅提高了狗牙根、高羊茅和多年生黑麥草對高鹽脅迫的抗性[123]，同時增強(qiáng)了草地早熟禾對鹽和干旱脅迫的耐受性[124-125]。外源硅可以明顯緩解鋁脅迫下鴨茅植株的生長，并降低植株對鋁離子的吸收[126]。

3 氣體分子

3.1 硫化氫

研究表明，硫化氫(hydrogen sulfide, H2S)在低濃度時能夠起到一種氣態(tài)信號分子的作用[127-128]。王燕琴[129]研究表明，硫化氫能夠緩解鹽脅迫導(dǎo)致的種子萌發(fā)和幼苗生長受抑制的現(xiàn)象。經(jīng)硫化氫的外源供體NaHS 處理的狗牙根材料，脅迫過程中活性氧積累少，抗氧化酶活性高，滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)積累多，細(xì)胞膜損傷小，對鹽、干旱和低溫脅迫的抗性增強(qiáng)[130]。NaHS 處理還能夠通過調(diào)節(jié)酶促和非酶促抗氧化劑的活性，減輕鎘脅迫對狗牙根生長的抑制和細(xì)胞損傷[131]。在紫花苜蓿中，NaHS 促進(jìn)了NO 的產(chǎn)生，增強(qiáng)了抗氧化酶活性，提高了K+/Na+比，促進(jìn)了紫花苜蓿在鹽脅迫下的萌發(fā)率[132]。

3.2 一氧化氮

一氧化氮(nitric oxide, NO)是一種兼具水溶性和脂溶性特點(diǎn)的自由基氣體信號分子。研究表明，鹽脅迫下，外源NO 對高羊茅種子的萌發(fā)和對幼苗有保護(hù)作用，能夠明顯促進(jìn)紫花苜蓿幼苗根系中NO 的積累，提高抗氧化系統(tǒng)的活性，降低自由基含量和膜質(zhì)過氧化作用，緩解鹽脅迫和干旱對紫花苜蓿和狗牙根的傷害[132-135]。在滲透和干旱脅迫下，外源NO 可顯著減輕脅迫對多年生黑麥草、匍匐剪股穎和高羊茅生長的抑制，增強(qiáng)其抗?jié)B透脅迫和干旱脅迫的能力[136-137]。NO 供體SNP處理調(diào)控了多胺和脯氨酸代謝相關(guān)酶基因的表達(dá)，增加了蒺藜苜蓿腐胺和脯氨酸的含量[138]。外源NO 處理抑制了蒺藜苜蓿IAA 氧化酶的活性和IAA 的降解，促進(jìn)了多年生黑麥草在鎘脅迫中對多種元素的吸收，提高了蒺藜苜蓿和多年生黑麥草對鎘的耐受性[139-140]。

3.3 一氧化碳

一氧化碳 (carbon monoxide, CO)作為信號分子參與植物體內(nèi)重要的生理代謝過程。在對紫花苜蓿的研究中發(fā)現(xiàn)，外源CO 處理能夠緩解鎘脅迫對苜蓿根的氧化傷害，并提高SOD、POD、GST 等酶的活性，調(diào)節(jié)植物體內(nèi)ROS 代謝，緩解等脅迫下對根系的損傷[141]。

4 其他小分子物質(zhì)

4.1 γ-氨基丁酸

γ-氨基丁酸(γ-aminobutyric acid, GABA)是一種非蛋白氨基酸。研究表明，外源GABA 的施用能夠有效緩解干旱引起的白三葉葉片損傷，提高相關(guān)保護(hù)酶活性，并導(dǎo)致內(nèi)源谷氨酸和GABA 含量增加，從而增強(qiáng)白三葉的耐旱性[142]。GABA 處理匍匐剪股穎，在干旱條件下降低了電導(dǎo)率，提高了葉片相對水分含量，誘導(dǎo)了多種氨基酸和有機(jī)酸的積累，提高了抗旱性[65]。

4.2 5-氨基乙酰丙酸

5-氨 基 乙 酰 丙 酸(5-aminolevulinic acid, ALA)是四氫吡咯生物合成的前體。干旱脅迫下，ALA 處理能明顯提高高羊茅的草坪質(zhì)量、葉片相對含水量、葉綠素含量、可溶性糖含量，增強(qiáng)了抗旱能力[143]。低濃度的ALA 可以緩解鹽脅迫對匍匐剪股穎的傷害，而高濃度則會加重鹽脅迫的傷害作用，同時ALA 還可以降低鹽脅迫下植株對Na+的過量吸收從而緩解鹽脅迫的傷害作用[144]。林艷艷等[145]也指出外源施加低濃度ALA 能夠促進(jìn)草地早熟禾種子在逆境條件下的萌發(fā)、促進(jìn)幼苗生長和可溶性蛋白的積累。低溫條件下ALA 對垂穗披堿草的種子萌發(fā)起到保護(hù)作用，降低種子在低溫脅迫下的氧化損傷[146]。

4.3 抗壞血酸

抗 壞 血 酸 (ascorbic acid, AsA)又 叫 做 維 生 素C，是一種水溶性抗氧化劑分子，能夠清除植物各項代謝過程中產(chǎn)生的自由基。研究表明，抗壞血酸能夠提高高羊茅在鹽脅迫下的根冠比和含水量，增強(qiáng)膜的穩(wěn)定性從而提高耐鹽性[147]。AsA 處理提高了高羊茅非酶促抗氧化物質(zhì)的含量、抑制ROS 的產(chǎn)生，促進(jìn)水分脅迫條件下高羊茅根的生長[148]。

4.4 谷胱甘肽

谷胱甘肽(glutathione, GSH)是一種小的細(xì)胞內(nèi)硫醇分子，被認(rèn)為是一種強(qiáng)的非酶促抗氧化劑。谷胱甘肽能夠清除細(xì)胞內(nèi)產(chǎn)生的自由基，從而減少膜質(zhì)過氧化對細(xì)胞膜造成的損傷。在草坪草中，非生物脅迫提高了多種草坪草谷胱甘肽的含量，但是外源谷胱甘肽處理的研究少[11,131]。

4.5 檸檬酸

檸檬酸 (citric acid)是三羧酸循環(huán)中間產(chǎn)物中一種重要的有機(jī)酸，調(diào)控植物生長和脅迫應(yīng)答。在高羊茅抗高溫研究中，發(fā)現(xiàn)檸檬酸途徑受高溫脅迫的誘導(dǎo)[149]。外源檸檬酸[150]處理可以減緩高溫對高羊茅生長的抑制作用，提高了光合效率，降低了細(xì)胞膜透性。

5 結(jié)論與展望

5.1 結(jié)論

綜上所述，多種植物激素和小分子物質(zhì)提高了草坪草和牧草對非生物逆境的抗性。與模式植物中的研究結(jié)果類似，不同激素及小分子物質(zhì)之間存在著協(xié)同或拮抗的關(guān)系。干旱和低溫處理提高了草坪草中ABA 和脯氨酸的含量，但是降低了細(xì)胞分裂素的含量[4-5,17]。外源褪黑素處理提高了ABA的含量[13]。外源ABA 處理提高了蒺藜苜蓿中內(nèi)源NO 和脯氨酸的含量[20]。紫花苜蓿在ABA 處理以后多胺含量增加[21]。在高溫條件下，外源褪黑素處理增加了內(nèi)源褪黑素和細(xì)胞分裂素的含量，但是降低了內(nèi)源ABA 的含量[30]。多胺預(yù)處理匍匐剪股穎后，GA1、GA4、GA20和ABA 的含量也有所提高[40]。但是也有證據(jù)表明多胺處理匍匐剪股穎材料降低了干旱條件下IAA 和GA3的含量[41]。在蒺藜苜蓿中腐胺的含量在NO 供體處理以后增加[138]。假儉草中過表達(dá)與多胺合成相關(guān)的狗牙根CdSAMDC基因增加了NO 的含量[51]。外源EBL 處理提高了多年生黑麥草內(nèi)源ABA、ZR、JA 和SA 的含量[73]。在匍匐剪股穎上的研究發(fā)現(xiàn)，t-ZR 處理減少了乙烯的產(chǎn)生[55]。外源IBA 處理提高了匍匐剪股穎葉片IAA、iPA 以及ABA 的含量[81]。另外，不同的外源激素和小分子物質(zhì)處理對草坪草的影響也有差異。ABA、SA 和GABA 誘導(dǎo)處理都提高了匍匐剪股穎的抗旱性，但是誘導(dǎo)了不同物質(zhì)的積累[65]。外源SA、ABA、鈣、H2O2以及乙烯分別處理以后，發(fā)現(xiàn)對于高溫脅迫下匍匐剪股穎抗氧化酶活性的影響具有一定的差異性[68]。這些說明多種植物激素和小分子物質(zhì)協(xié)同或拮抗地影響草坪草和牧草對外界逆境條件的應(yīng)答。

植物逆境應(yīng)答是一個復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)信號。外界的環(huán)境因素對草坪草和牧草的影響也是多方面的。在不利的生長環(huán)境下，草坪草體內(nèi)脫落酸、赤霉素、褪黑素、多胺、水楊酸、獨(dú)角金內(nèi)酯的含量明顯提高，而細(xì)胞分裂素和生長素的含量顯著降低。不同的植物激素之間存在協(xié)同或拮抗作用。內(nèi)源植物激素和小分子物質(zhì)含量的變化，調(diào)控了下游相關(guān)基因的表達(dá)，包括合成/分解代謝、信號傳導(dǎo)途徑、活性氧代謝、脅迫應(yīng)答途徑、能量代謝、蛋白質(zhì)代謝等。草坪草從而在生理水平上做出相應(yīng)的調(diào)整。脯氨酸、可溶性糖、抗氧化酶活性、光合作用、滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的含量提高。相應(yīng)的，活性氧含量、丙二醛含量和電導(dǎo)率降低，從而達(dá)到了延緩衰老，提高抗逆性和改善草坪品質(zhì)的效果(圖1)。當(dāng)然，草坪草和牧草中不同激素之間的相互作用關(guān)系很復(fù)雜，有些研究結(jié)果甚至是相反的，需要開展更多更深入的研究。

圖 1 植物激素和小分子物質(zhì)在草坪草和牧草逆境應(yīng)答中的作用。Figure 1 Roles of plant hormones and small molecule compounds during the abiotic stress responses of turfgrass and forage

5.2 展望

近些年來在外源物質(zhì)處理誘導(dǎo)草坪草和牧草抗逆性方面的研究取得了可喜進(jìn)展。但是目前的研究更多地是集中在外源物質(zhì)處理以后對草坪草和牧草抗逆性表型的觀察比較和生理指標(biāo)的測定，對于相關(guān)基因功能和調(diào)控網(wǎng)絡(luò)方面的研究涉足較少。草坪草和牧草具有一些模式植物不具備的性狀，例如冷季型草坪草對低溫的抗性、暖季型草坪草對高溫的耐受性、苜蓿與根瘤菌的共生固氮等。這種特異性表明草坪草和牧草相關(guān)基因的功能可能與模式植物的同源基因存在差異。

今后的研究建議聚焦到以下領(lǐng)域：1)繼續(xù)對一些新型激素和小分子物質(zhì)的效果進(jìn)行篩選，如獨(dú)腳金內(nèi)酯和褪黑素等。谷胱甘肽和檸檬酸等在植物生長和脅迫應(yīng)答中起到重要作用，目前在草坪草和牧草上應(yīng)用和研究較少。2)開展多種激素和小分子物質(zhì)復(fù)配效果的研究。不同的外源物質(zhì)對草坪草和牧草抗逆性的誘導(dǎo)具有一定的特異性。探討不同外源物質(zhì)之間的協(xié)同作用關(guān)系，篩選復(fù)配配方，從而更有效提高草坪草和牧草的抗逆性。同時加強(qiáng)田間的試驗(yàn)，開發(fā)出生產(chǎn)上能真正應(yīng)用的產(chǎn)品。3)開展草坪草和牧草激素合成分解及信號傳導(dǎo)途徑相關(guān)基因功能的研究；在模式植物中，多種植物激素的合成分解途徑和信號傳導(dǎo)途徑得以解析(圖2)。如ABA 合成的NCED，信號傳導(dǎo)PYR/PYL-PP2C-SnRK-ABF；IAA 合成的YUC，信號傳導(dǎo)TIR1/AFB2-AUX/IAA-ARF；ET 合成的ACS 和ACO，信號傳導(dǎo)ETR-EIN2-EIN3/EILs-ERF1/EREBPs 等(圖2)。目前在草坪草和牧草中，高羊茅的ABA 受體基因[22]、苜蓿褪黑素合成SNAT基因[37-38]、苜蓿多胺合成SAMS1 基因[50]、狗牙根多胺合成SAMDC 基因、匍匐翦股穎細(xì)胞分裂素合成IPT 基因[24,60]、結(jié)縷草赤霉素合成關(guān)鍵酶GA20ox基因[91]的功能得以部分闡述。但是多數(shù)草坪草及牧草中激素合成途徑及信號傳導(dǎo)途徑基因的功能仍然是未知的，大量的工作仍然需要持續(xù)開展，從而真正揭示草坪草和牧草逆境應(yīng)答的機(jī)理，構(gòu)建抗逆調(diào)控網(wǎng)絡(luò)。

圖 2 植物激素和小分子物質(zhì)的生物合成及信號傳導(dǎo)途徑。Figure 2 Biosynthesis and signaling transduction pathways of plant hormones and small molecule compounds.